Samenvatting Materiaalkunde 1

Samenvatting Materiaalkunde 1 Tijdens fabricage en gebruik wordt een materiaal Mechanisch (M), Thermisch (T) en/of chemisch (C) belast. Hoofdstuk 6 Rekgrens: als het materiaal 0,2% plastisch is gedeformeerd. (trekproef) Zie slide 14 voor verschillende materialen/vormen trekrekkromme. Bij legeren blijft E constant, maar σ verandert. Poison’s ratio, dwarscontractiecoëfficient. v > 0,5 dichtheid neemt toe v< 0,5 dichtheid neemt af door vorming holtes Hardheid meting ipv trekproef, je meet de indrukking. Hardheid = weerstand tegen blijvende vervorming. Hogere treksterkte en rekgrens Æ hogere hardheid verschillende vormen, Brinell, Vickers, Rockwell B/C Formule voor veiligheidsfactor S! Hoofdstuk 8 Falen, terwijl belasting onder de rekgrens blijft: ‐ vermoeiing ‐
‐
‐
‐
‐
‐
Hoge of lage temperatuur Corrosie Stootbelasting Kruip Spanningsconcentratie ‐> bij oneffenheden Knik Denk aan restspanningen door fabricageproces. (door ongelijkmatig afkoelen na gieten bijvoorbeeld) Zeer scherpe ellips = scheur Æ werken met spanningsintensiteit en niet spanningsconcentratie. Scheuren kost energie, omdat er bindingen moeten worden verbroken. Namelijk twee keer de oppervlakte energie. Om de scheurtip is er plastische deformatie, dit gebeurt b ij taaie materialen en
kunststoffen. Bij keramische materialen ontstaan er microscheuren. Composieten
vertonen delaminatie, fiber pull-out.
Gc = dU/da. = energyrelease rate. Hoeveel energie komt vrij als scheur langer wordt.
Oorzaken brosse breuk:
•Lage temperatuur –rekgrens omhoog •Hoge deformatiesnelheid –Minder kans te deformeren •Structuur (kvg, krg, hdp) –Krg, hdp: overgangstemperatuur, kvg niet •Samenstelling: Fe %C Charpy‐V test. invloed vervormingssnelheid. Hamer slaat tegen eenk erfslagstaafje aan. Hoogte van de hamer in eindstand geeft aan hoeveel energie er nog over is. Als temperatuur toeneemt, wordt breuk ook taaier. R =σmin/σmax R = ‐1, wisselbelasting; R=0, sprongbelasting Kruip Plastische deformatievan een constructie/materiaal onder langdurige constante belasting. Zie aantekeningen. De effecten hiervan test je op hoge T en dan in een grafiek extrapoleren naar lage T. Hoofdstuk 22 Prestatie index M is anders bij buiging en torsie. Buiging van Staaf Mb, buiging van plaat Mp, trek van staaf Mt. Ontwerpen op Stijfheid: E zo hoog mogelijk. Sterkte : Rp0.2 kijken naar de rekgrens: grens elastisch/plastisch Stijfheid + kosten: M= E/c*ρ ?? Sterkte + kosten: M = σy/c*ρ
Hoofdstuk 2
Kristallijne opbouw van materialen.
Dezelfde kristallen, maar anders georienteerd. Hoe kleiner de kristallen hoe groter de
sterkte.
Bohr:
Valentie-elektronen:
-ver weg van de kern, dus weinig energie nodig om ze te verwijderen = ionisatie
-bepalen de chemische eigenschappen
-bepalen het soort binding en daarmeede mechanische eigenschappen
-bepalen de afmetingen van het atoom en daarmee van afgeleide moleculen
-beïnvloeden elektrische geleiding-beïnvloeden optische eigenschappen
Covalente binding: elektronen delen.
Metaalbinding: losse elektronen.
Secondaire bindingen: vdwkrachten, fluctuerende dipolen, elektronen bewegen, permanente
dipolen.
Waterstofbruggen zorgen voor extra volume bij ijsvorming.
Hoge Tm Æ kost veel energie om bindingen los te maken, hoge stijfheid, hoge
uitzettingscoëfficient.
Hoofdstuk 3
Kristalrooster
Dichte, geordende structuren hebben de laagste energie.
Volume neemt af , de atomen komen dichter bij elkaar. Glas = stuctuur van vloeistof, maar gedrag van een vaste stof (dus beschouwen als vaste stof) De manier van ordenen heeft gevolgen voor de wijze waarop /in ze plastisch deformeren. Kristalrooster = structuureenheid + tralie(hoe zijn structuureenheden in ruimte geschikt). Tralies: ‐
‐
‐
‐
Kubisch Kubisch ruimtelijk gecentreerd Kubisch vlakken gecentreerd Hexagonaal dichtsgepakt Richting, vector in kubus. [110] Vlakken, vlak van punten in kubus. (110) Richting staat loodrecht op het vlak met dezelfde indices Vlakken: Bekijk snijpunten met assen. Neem van die snijpunten de reciproce waarde. (1/waarde) die waarde is de indices voor je vlak. Verzameling van richtingen <110> bevat alle combinaties van 1 1 0 óók negatief vb ‐1 0 1 Verzameling van vlaken {110} Formule voor afstand tussen twee vlakken op formuleblad. Met a = ribbelengte λ= 2d sinθ
(222) 2e orde van (111)
0 = even!
Kvg en hdp is familie, zie slide 20.
ZIE VRAAG SLIDE 27 (of aantekeningen college 6, sowieso even doen)
Krg: atomen oplichaamsdiagonaal raken elkaar.
Kvg: atomen op zijvlaksdiagonaal raken elkaar.
Keramiek heefte en open st ructuur door afwisseling grote en kleine atomen.
Polymeer heeft lichte elementen C,H,O
Kristallijn heeft betere eigenschappen dan polykristallijn.
Anisotroop = richtingsafhankelijk
Polymorf = verschillende structuren voor hetzelfde materiaal
Eenkristallijn: richtingsafhankelijk
Polykristallijn: isotroop of anisotroop.
Hoofdstuk 4 Dichtheid in praktijk is lager dan de theoretische dichtheid door kristalfouten. Ontstaan van korrels en korrelgrenzen: Æ bij kiemen begint de stollingÆ meerdere kristallen ontstaan Æ polykristallijn. Korrelgrenzen: gebieden met hogere energie, want bij stollen gaan alle vervuilingen op de korrelgrenzen zitten. Gedeeltelijke wanorde. Bij lagere dichtheid is er hoge mobiliteit, sterkere diffusie en
hoge chemische reactiviteit.
Grote afkoelsnelheid Æ kleine kristallen Kleine afkoelsnelheid Æ kolomvormige
kristallen.
Fouten bepalden de sterkte:
–0D: vacature, interstitieel, substitutioneel
–1D: dislocatie
–2D: korrelgrens, stapelfout, tweelinggrens
–3D: porie, tweede fase, insluitsels,verontreininging
Puntfouten ‐
‐
‐
Vacature Interstitieel atoom; eigen(komt niet vaak voor)/ niet‐eigen Substitutioneel Op formuleblad: concentraties vacatures: nv = n0e^(‐Q/kT) Legeringselementen. Veel B aan A toevoegen: nieuwe fasen en andere structuur. Lijnfouten: ‐
‐
‐
Randdislocatie Extra halfvlak zorgt voor grote trek en drukspanningen. Er komt meer energie in het materiaal . (burgersvector van eind naar beginpunt als je cirkel loopt’) Schroefdislocatie Verschuiving van lagen tov elkaar Gemengde dislocatie schroef b//L rond b _|_ L Vlakfouten komen voor bij KVG en HDP Stapelfout Korrelgrens Tweelingfout: Tweelingvlak = spiegelvlak. De eenheidscellen worden op het vlak gespiegeld. incoherent heeft een rafelige grens. in lage T vervormen (tweelinggrenzen verschuiven verwarmen? Æ terug in oorspronkelijke stand ‘geheugenmetaal’ Microstructuren zichbaar maken Etsen maakt verschillende orientaties kristallenz ichtbaar. Korrelgrenzen zijn gevoeliger voor etsen. Lichtmicroscopie (matige resolutie), elektronen, voelen. Hoofdstuk 5 Door vacatures is diffusie ( atomen bewegen door een materiaal) mogelijk. Vaak bij hoge T Carboneren : inbrengen van C‐atomen. Dit doe je als de rand van je materiaal hard en slijtvast moet zijn en de binnenkant mag zacht en taai zijn. Diffusiesnelheid hangt af van de vacatureconcentratie en de sprongfrequentie. Eerste wet van Fick: J = ‐D dC/dx Vacature en interstitiele diffusie: Atoom moet energie leveren om te springen. Vacature kan altijd springen, op kamertemperatuur erg traag. Substitutionele diffusie: verschil tussen het feit of er een vacature is naast het substitutionele atoom. Tweede wet van Fick : dc/dt = D d2c/dt2 Interstitiele diffusie veel sneller dan substitutionele diffusie. In KRG (veel ruimte) gaat diffusie ook sneller dan in KVG (afstand tussen atomen is klein) Op tentamen ook D berekenen en zie blz 116. Hoofdstuk 7Theoretische sterkte: Theoretische sterkte kan wel een factor 200‐2000 afwijken! (vraag 5.9 en 5.15) Hoe vervormen kristallijne materialen? Afschuiving! ‐ Blokafschuiving ‐ locale afschuiving, kost minder energie dan blok want je hoeft minder verbindingen tegelijk te verbreken. Glijvlak hangt af van het type kristalrooster: Glijvlak: dichtstgepakte vlak (grootste afstand vlakken) Glijrichting:dichtsgepakte richting (kleinste verplaatsingsafstand atomen) Dan met minste energie. HDP is dus slecht vervormbaar, want weinig afschuifmogelijkheden. Deformatie eenkristal: tenminste 1 actief glijsysteem nodig polykristal: tenminste 5 actieve glijsystemen nodig per kristal om elke vormverandering mogelijk te maken. (anders is er geen voldoende ruimte voor vervorming van 1 kristal) Polykristal is hiermee sterker (σy is groter) Als T groter wordt, worden er meer glijsystemen actief. Je kan uitrekenen welk glijsysteem actief wordt. (schmidfactor gebruiken) Bij φ = 45 graden is het maximaal.
Zie aantekeningen/ slide 18 voor berekeningen!
In polykristallijn materiaal kan voorkeursorientatie ontstaan door deformatie Æ
anisotrope materiaaleigenschappen.
Kleinere korrelgrootte, sterker materiaal. (hall-petch relatie)
Beweging dislocaties = plastische deformatie.
Dislocaties nemen in aantal toe; dislocatie dichtheid*
2 dislocaties kunnen elkaar tegenkomen: mobiele/immobiele ‘forest’ dislocaties
Korrelgrenzen: belemmeren dislocatiebeweging (Hall-Petch relatie)
Dislocatiegeneratie: Frank-Read bron
Dislocatie dichtheid:
- dislocatielijn/volume-eenheid OF
- aantal lijnen/oppervlakte-eenheid
Frank-Read: uiteindelijke vorm dislocatie, de energie is nu hoger en dit kan
eindeloos herhaald worden.
Taaiheid = rek bij breuk.
Tot 500 graden Celsius neemt de rekgrens van staal toe, omdat de C-atomen dan
heel snel kunnen bewegen.
Dislocatie gehinderd door dislocatie loodrecht op glijvlak Æ hogere sterkte
Legeringsatoom verstoort afschuifvlak Æ verhoogt glijweerstand dislocaties Æ
hogere rekgrens
Vloeiverschijnselen:
C- en N-atomen gaan naar de op trekbelaste delen van een dislocatie.
Warmtebehandeling na plastische deformatie:
T>0.3Tm
annihilatie
Vacaturediffusie maakt “klim”
van dislocatie mogelijk
•Eventueel gevolgd door afschuiving
•Herverdeling van dislocaties
Dislocatie + dislocatie = herstel
Korrelgrenzen: dislocaties lopen niet in elkaar over, watn orientatie is aan beide
kanten anders
Kleine hoekkorrelgrens: dislocaties kunnen wel in elkaar over, orientatie is bijna
hetzelfde.
Rekristallisatie:
T> 0,35-0,5Tm
Hoge dislocatiedichtheid hoge inwendige elastische energie
•Vorming nieuwe dislocatiearme structuur:
–Kiemvorming (t, T)
–Groeiproces (t, T)
•Diffusie speelt belangrijke rol
Hoe meer dislocaties er zijn, hoe makkelijker (bij lagere T) het te rekristalliseren is.
Korrelgroei
T>0,5Tm
Korrelgroei treedt op omdat het materiaal streeft naar zo laag mogelijke
energietoestand. Op korrelgrenzen is de energietoestand hoger. Deze feiten leiden
tot grotere korrels.
Warm omdat:
Hogere sterkte / rekgrens ≡ belemmeren beweging dislocaties
Oplossingsharden: (oa substitutioneel legeren!)
Kleinere atomen hebben voorkeur voor dislocatie (drukgebied)
Æ Gevolg: dislocatie minder mobiel: sterkte wordt groter
Grotere atomen hebben voorkeur voor dislocatie (trekgebied)
ÆGevolg: dislocatie minder mobiel: sterkte wordt groter
Hoofdstuk 14
Zakken van E; ketens raken uit elkaar.
Entropie.
Tg hangt niet af van ketenlengte.
Kristallijn materiaal gemakkelijk voor afschuiving.
wss niet zo belangrijk allemaal dus:
ZIE OPGAVEN HOOFDSTUK 14.
semi-kristallijn deformeert plastisch
netwerk bros.
Bij kunststoffen is de insnoering erg sterk en wrodt alleen maar groter.
Hoofdstuk 12
Keramiek
+
Sterk
Stijf
Hoog smeltpunt (goed bestand tegen hoge T)
Goedkope grondstof
Lage dichtheid
Corrosieweerstand
Hoge slijtageweerstand
Halfgeleider Si
Transparant
Hoge E
‐
Bros, geen plastische deformatie
Slecht vervormbaar
T-gevoeligheid, slechte thermoschokbestendigheid
inwendige fouten door moeilijke fabricage
Keramiek : metalen & niet-metalen, kristallijn en amorf.
Bestaat uit minstens 2 atomen, klein én groot.
Kristallijn:
Ionogene binding:
Kristal moet elektrisch neutraal zijn.
Æ optimale ordening ionen in de ruimte afhankelijk van ionstralen.
Æ holtes in kristal mogelijk onbezet
Coordinatiegetal: aantal grote atomen om kleine.
Shottky/frenkel bepaalt elektrische eigenschappen van materiaal.
Keramiek moet wel neutraal blijven, Stel er komt een interstitieel atoom met meer
lading, dan ontstaat er dus ergens een vacature om de lading neutraal te houden.
Ionogeen: afschuiving alleen onder een 45 graden hoek door +- ladingen van atomen
Covalent: geen afschuiving mogelijk door binding tussen atomen.
Amorfe materialen:
geen glijvlakken/systemen dus glas bij hoge T verwerken.
Mechanische eigenschappen:
Kic = kritische spanningsintensiteitsfactor
Weibullmodulusberekeningen (statistisch karakter) op tentamen!
Hoofdstuk 16
Composieten.
Combi van keramiek/metaal/kunststoffen
- verwerken van keramiek is lastig
+ sterkte en stijfheid per eenheid gewicht
Specifieke stijfheid of sterkte = stijfheid of sterkte / dichtheid
Verschil vezelorientatie voor stijfheid. Netto stijfheid: combi matrix met vezel.
Verhouding matrix/vezel 50/50
Grafiek voor specifieke S&S is alleen voor de vezel, dus zonder het gewicht van de
matrix!
Wat is E in formule?